[12-11 16:59:29] 来源：http://www.tmgc8.com 水利水电 阅读：3656次
关键词：面板堆石坝 应力变形 仿真计算 工程措施 水布垭水电站
摘 要：水布垭工程面板堆石坝是当前世界上最高的混凝土面板坝，在设计和施工等方面尚缺乏经验，为此在“九五”攻关中，对其中的关键技术问题进行了科学研究。在计算分析方面，采用不同的计算模型对200 m级面板坝施工、蓄水全过程进行了仿真计算,研究其应力变形规律；研究探索了特殊边界、堆石体流变特性等问题，并提出了改善面板坝应力、变形的工程措施。在高面板坝三维有限元计算中引入了堆石体流变特性，初步探讨了堆石体流变对高混凝土面板坝应力变形的影响；提出了耦合薄层单元和三维非线性摩擦接触单元；对非线性K-G模型进行了改进；采用多种模型对水布垭工程面板坝进行了二维 、三维仿真计算，从技术上论证了该方案的可行性。
水布垭水利枢纽位于湖北省清江中游河段巴东县境内，该工程除发电外，还有防洪等任务。电站装机1 600 MW，保证出力310 MW，多年平均年发电量39.2亿kW·h，是华中地区具有多年调节性能的水电站。水布垭工程大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高233 m，目前在同类坝中居世界第一，因此有必要在大量试验取得技术参数的基础上，通过数值分析研究该大坝的应力、变形规律，论证200 m级混凝土面板坝的技术可行性和经济合理性 ，并提出改善应力、变形的工程措施，这不仅对水布垭工程建设而且对国内外高混凝土面板坝的发展具有重大的意义(注：参加本专题研究的有长江水利委员会、清华大学、河海大学、武汉大学等单位，共提出研究报告和论文30多篇)。
1 攻关任务及目标
1.1 攻关任务
高面板堆石坝的关键技术问题是：坝体变形大，有可能导致接缝张开和止水失效，甚至导致面板断裂及大量漏水，影响大坝和水库的安全运行。本专题结合水布垭工程面板坝研究的主要任务是：
(1)研究、寻找适合高面板堆石坝应力变形的计算方法。
(2)研究高面板堆石坝的应力、变形规律，重点研究特殊边界的模拟对混凝土面板应力 、变形的影响。
(3)研究坝体较大的变形和堆石体流变对坝体应力变形及接缝位移的影响。
(4)研究减小坝体变形量及其危害性的工程措施。
通过本专题研究，为水布垭工程混凝土面板坝设计提供科学依据，并促进国内外高面板堆石坝设计理论和计算方法的发展。
1.2 攻关目标
本专题针对233 m高的水布垭工程混凝土面板堆石坝的关键技术问题进行研究，其具体目标是：
(1)用二维有限元分析，采用类比已建工程所拟定的材料参数进行敏感性分析，研究200 m级面板堆石坝的应力变形规律。
(2)根据水布垭工程堆石料的大量室内试验和现场碾压试验的成果，用三维有限元分析，采用不同计算模型，对水布垭工程面板坝进行仿真计算，研究在不同应力路径下高面板堆石坝的应力变形规律。
(3)寻求适合于高面板坝的应力变形计算模型，以及周边缝、垂直缝、面板与垫层接触面的模拟方法
(4)初步了解在高围压作用下，坝体较大的变形及堆石体流变等因素对坝体的应力、应变以及接缝位移的影响；并结合水布垭工程地形、地质条件和计算研究成果，提出减小坝体变形量及其危害性的工程措施。
2 主要研究成果
2.1 解决的关键技术问题
(1)采用国内目前公认的计算模型(包括：邓肯E-B模型、非线性解耦K-G模型、双屈服面弹塑性模型等)对200 m级面板堆石坝施工、蓄水全过程进行了仿真计算，研究其应力、变形分布规律。研究证明这些模型基本反映了堆石体在高围压作用下的本构关系，其计算成果基本反映了200 m级高混凝土面板堆石坝的应力变形状态。
(2)只要精心设计、精心施工，采用常规的止水材料和结构型式，可以控制200 m级面板坝在高水头作用下的变形及止水系统不受破坏，能保证大坝的运行安全。
(3)在改进的大型单剪试验基础上，提出薄单元耦合接触模型，以模拟垫层与面板之间剪切错动带的应力、变形的特征，使接触面模拟更接近真实状态。
(4)在试验的基础上，对K-G模型作了进一步改进，使它能够对高面板堆石坝的复杂应力路径的加、卸载性状作出合乎实际的判定，能够利用简单的增量型广义虎克矩阵的形式来反映填料的剪缩性等特殊变形性质，改进后的K-G模型更趋于合理实用。www.tmgc8.com
(5)应用反分析手段获得已建工程的流变参数，将时间效应引入200 m级高混凝土面板坝应力变形分析中，大体上预测了水布垭工程面板堆石坝应力变形随时间的变化。
2.2 取得的重大科技成果
(1)坝体填料敏感性分析。采用天生桥、洪家渡工程的坝体填料计算参数以及水布垭工程室内试验部分中间成果所拟定的计算参数进行了二维有限元计算，以研究200 m级高面板坝的应力、变形规律，了解不同坝体填料对高面板坝应力、变形的影响。分析成果表明，在E-B模型中，参数K、Kb、m、n对计算结果影响显著。
(2)坝料分区敏感性分析。根据面板坝的受力特点，为充分合理利用建筑物开挖料,减少料场茅口组灰岩的开挖量，针对坝体主、次堆石区3种不同分界位置，采用二维有限元计算研究大坝的应力、变形状态。研究成果论证了设计分区是合理的。
(3)水布垭工程面板坝仿真计算。采用非线性弹性和弹塑性模型，模拟大坝填筑施工程序和蓄水全过程进行三维仿真计算，计算所得坝体应力变形、周边缝、面板挠度等成果均在设计允许范围之内。与国内外工程的计算和实测结果进行比较，坝体变形及分布规律与已建同类工程相似。
(4)工程措施研究。在研究堆石特性的基础上，适当提高填筑密实度对高面板坝是必要的；结合枢纽布置，调整坝轴线，调顺趾板轴线，对局部地形和地质缺陷进行改造，在新的几何条件下进行了仿真计算。研究成果表明，采取这些工程措施对大坝特别是对面板 、周边缝变形的改善是有利的。
(5)对已建工程原型观测资料进行反馈分析。通过对该资料反馈分析取得堆石体流变参数，初步探讨了堆石体的流变对高混凝土面板堆石坝应力变形的影响；并预测了水布垭工程大坝堆石体随时间而增加的附加变形对坝体应力变形、混凝土面板和周边缝的应力变形的影响。这种影响是客观存在的，必须予以重视。
(6)对单剪试验成果进行分析。通过本成果分析，证明高混凝土面板坝的面板与垫之间接触不是一个面，而是具有一定厚度的薄层，故对接触面采用薄层单元模拟更为合理。
(7)将Katona提出的在弹性介质中的二维摩擦界面元发展为三维非线性摩擦接触单元 ，并研究了相应的数值解法。该方法物理概念清楚，参数φ、C值比较容易把握，经初步论证，按此模型所得混凝土面板应力较为合理。
3 成果应用及推广应用前景
3.1 成果应用及其经济效益
(1)“水布垭面板坝应力变形分析专题中间成果”，证明了水布垭工程233 m高混凝土面板坝技术上是可行的，提供了水布垭工程面板堆石坝与心墙堆石坝两种坝型比较的基础 ，为《水布垭水利枢纽可研阶段坝型比选报告》提供了依据，经审查同意工程以面板堆石坝方案编制水布垭水利枢纽项目建议书。
(2)论证分析了水布垭工程面板坝填料分区是合理的。尽管水布垭工程面板坝高达233 m，由于设计上采取了一系列综合措施，坝体、面板和接缝的位移，均可控制在设计允许范围内，大坝的应力变形规律与100 m级混凝土面板坝基本相似。研究成果为《水布垭水利枢纽可行性报告》提供了依据，经国家经贸委审查通过，水布垭水利枢纽的挡水建筑物选定为混凝土面板堆石坝。该坝型工程量少，它比心墙坝方案可提前1年发电，总工期减少半年，工程静态投资减少5.6亿元，总投资减少19亿元。
3.2 成果推广应用前景
本专题研究成果不仅直接应用于水布垭工程，而且对国内待建、在建的高混凝土面板坝的建设(如洪家渡、三板溪等)也有借鉴意义。我国西部地区水利资源丰富，有许多地方适宜修建面板堆石坝，因此应用前景广阔、经济效益和社会效益显著。本专题研究成果使我国在高混凝土面板坝的理论研究、计算方法、仿真计算和控制高坝变形工程措施等方面又上了一个台阶，为我国在高混凝土面板坝设计和理论计算等方面向更高层次发展奠定了良好的基础。
4 结语
(1)本专题对混凝土面板堆石坝的特殊边界模拟方法的研究有所突破。混凝土面板与垫层之间接触面采用耦合薄层单元模拟或三维非线性摩擦接触单元模拟，能比较合理地反映混凝土面板的应力状态。
(2)经原型观测和数值分析表明，堆石体流变特性对高混凝土面板堆石坝的应力变形有较大影响。本专题在流变模型研究、流变参数获取等方面取得初步成果；采用对类似工程原型观测资料反馈分析所得的堆石体流变参数，初步探讨了233 m高水布垭工程面板坝考虑堆石体流变因素后的应力变形状态。建议对此进行进一步试验研究，为确保大坝安全和进一步优化设计提供依据。www.tmgc8.com
陈传慧 肖化文 （长江水利委员会设计院，湖北 武汉 430010）
